Caspase-1及其在心血管疾病中的作用研究進(jìn)展*

姜艷嬌，孫增先，胡盼盼 綜述，劉 云 審校

(徐州醫(yī)科大學(xué)附屬連云港醫(yī)院藥學(xué)部，江蘇連云港 222061)

細(xì)胞焦亡是一種程序性細(xì)胞死亡方式，被認(rèn)為是針對(duì)細(xì)胞內(nèi)病原體的重要的先天免疫反應(yīng)[1]，以天冬氨酸特異性半胱氨酸蛋白酶-1(caspase-1)介導(dǎo)、質(zhì)膜破壞及細(xì)胞成分和促炎性介質(zhì)釋放為特征[2]。Caspase-1在體內(nèi)無(wú)活性，需經(jīng)炎癥小體NOD樣受體熱蛋白結(jié)構(gòu)域相關(guān)蛋白3(NOD-like receptor thermal protein domain associated protein 3，NLRP3)將其激活為具有兩個(gè)p20和兩個(gè)p10亞基的異四聚體[3]，激活后的caspase-1緊接著將白細(xì)胞介素(IL)-1β前體和IL-18前體裂解為成熟的活性IL-1β和IL-18[2]。此外，caspase-1可裂解gasdermin D(GSDMD)形成其N末端結(jié)構(gòu)域片段，其N末端片段富集促進(jìn)膜孔形成，從而導(dǎo)致炎性因子釋放，引起細(xì)胞焦亡[4]。

如今，心血管疾病(cardiovascular disease，CVD)是全球范圍內(nèi)威脅人類健康、造成人類死亡的主要原因之一，主要包括肺動(dòng)脈高壓(pulmonary arterial hypertension，PAH)、動(dòng)脈粥樣硬化(atherosclerosis，AS)、心力衰竭(heart failure，HF)、心肌缺血/再灌注損傷(myocardial ischemia-reperfusion injury，MI/RI)和心肌梗死(myocardial infarction，MI)。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，caspase-1參與的細(xì)胞焦亡相關(guān)的炎癥免疫因素在CVD發(fā)生、發(fā)展過(guò)程中扮演著重要角色，深入探索caspase-1在CVD中的作用機(jī)制，將有利于為CVD的預(yù)防和治療提供新的靶點(diǎn)和治療措施。

1 Caspase-1的結(jié)構(gòu)及其功能

Caspase-1是與炎癥小體相關(guān)的caspase家族成員，具有一個(gè)氨基末端半胱天冬酶募集結(jié)構(gòu)域(caspase recruitment domain,CARD)、一個(gè)中央大催化結(jié)構(gòu)域和一個(gè)羧基末端小催化亞基結(jié)構(gòu)域，它們共同參與了酶活性中心的形成[5]。早期研究已確定caspase-1可自動(dòng)加工形成活性 p20/p10復(fù)合物。此外，線粒體功能障礙可致炎癥小體NLRP3活化寡聚，以激活caspase-1[6]。Caspase-1 激活后可促進(jìn)成熟 IL-1β和IL-18的產(chǎn)生和分泌[7]。在體外，caspase-1切割的重組GSDMD N-末端片段緊密結(jié)合脂質(zhì)體并形成大的細(xì)胞膜通透性孔，從而誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡，引起炎性反應(yīng)。

1.1 Caspase-1與IL-1β

IL-1β屬于 IL-1 超家族[8]，可由活化的巨噬細(xì)胞產(chǎn)生。作為一種促炎細(xì)胞因子，其生物活性受炎癥小體控制[9]。IL-1β在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭袑?duì)心肌重塑和功能發(fā)揮具有負(fù)面影響，IL-1β mRNA的過(guò)表達(dá)可能造成小鼠急性MI后心臟重塑障礙和收縮功能障礙[3]。有證據(jù)表明，IL-1β的拮抗作用可能對(duì)HF患者的心臟重構(gòu)和預(yù)后產(chǎn)生有利影響[10]。Caspase-1可將細(xì)胞因子IL-1β水解激活。有報(bào)道顯示，caspase-1選擇性抑制劑(VX-765)降低了活化的 caspase-1水平，并抑制了IL-18和IL-1β的成熟[11]。反之，可以推測(cè)IL-1β在炎性反應(yīng)中發(fā)揮重要作用，控制心肌細(xì)胞中IL-1β mRNA的過(guò)表達(dá)有利于機(jī)體發(fā)揮保護(hù)作用。

1.2 Caspase-1與NLRP3

炎癥小體NLRP3在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)發(fā)揮免疫監(jiān)視作用，是由NLRP3、凋亡相關(guān)斑點(diǎn)樣蛋白(apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD，ASC)和caspase-1組成的多蛋白復(fù)合物[12]。NLRP3在結(jié)構(gòu)上由C端富含亮氨酸的重復(fù)序列、中間核苷酸結(jié)合寡聚域(nucleotide-binding oligomerization domain，NOD)和N端含吡啶的效應(yīng)子結(jié)構(gòu)域組成[13]?；瘜W(xué)上廣泛的刺激可以激活NLRP3炎癥小體，包括細(xì)菌和病毒病原體相關(guān)的分子模式，以及受損或垂死細(xì)胞釋放的內(nèi)源性相關(guān)分子模式，后者的刺激是引發(fā)無(wú)菌炎癥的基礎(chǔ)[14]。在適當(dāng)?shù)拇碳は?，NLRP3發(fā)生寡聚，并通過(guò)兩種熱蛋白結(jié)構(gòu)域的相互作用進(jìn)一步募集ASC，形成螺旋狀A(yù)SC細(xì)絲，組裝成大ASC“斑點(diǎn)”[15]。在形成ASC斑點(diǎn)后，通過(guò)同型CARD-CARD相互作用募集caspase-1，誘導(dǎo)caspase-1在p20-p10接頭區(qū)域的切割[16]，從而誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡的發(fā)生，引起炎性反應(yīng)。近年來(lái)，越來(lái)越多的研究證明，NLRP3炎癥小體的激活與高脂血癥、糖尿病、肥胖癥和高同型半胱氨酸血癥[1]等多種心血管危險(xiǎn)因素有關(guān)。因此，深入研究NLRP3在CVD中的作用機(jī)制有助于了解與細(xì)胞死亡相關(guān)疾病的發(fā)生和發(fā)展，這可能為CVD的預(yù)防和治療提供新的策略。

1.3 Caspase-1與GSDMD

GSDMD屬于gasdermin家族，是caspase-1的底物和細(xì)胞焦亡的介質(zhì)[17]，含有約480個(gè)氨基酸。其可分為兩個(gè)結(jié)構(gòu)域，GSDMD-N末端結(jié)構(gòu)域和GSDMD-C末端結(jié)構(gòu)域，它們通過(guò)長(zhǎng)環(huán)連接。由于其C端結(jié)構(gòu)域?qū)端結(jié)構(gòu)的抑制作用，全長(zhǎng)GSDMD無(wú)活性?；罨腸aspase-1可在連接環(huán)內(nèi)的天冬氨酸位點(diǎn)有效切割GSDMD形成N末端片段，而N末端片段具有膜孔形成活性，其在哺乳動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)聚集能夠誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡[18-19]。在體內(nèi)，caspase-1對(duì)GSDMD的識(shí)別和裂解是在典型的和非典型的炎癥小體信號(hào)傳導(dǎo)途徑下游引發(fā)的炎性細(xì)胞死亡的重要步驟[20]。因此，不斷探索GSDMD與caspase-1在細(xì)胞中的作用機(jī)制有助于了解與細(xì)胞死亡相關(guān)的疾病的發(fā)生和發(fā)展，這可能為CVD的預(yù)防和治療提供新的策略。

2 Caspase-1與CVD

2.1 Caspase-1與AS

AS以中型和大型動(dòng)脈病變?yōu)橹饕卣?，其病因是高血脂癥引起斑塊產(chǎn)生，以及脂蛋白顆粒從血管壁的清除功能障礙[5]。此外，慢性無(wú)菌炎癥是AS的另一重要致病機(jī)制。一項(xiàng)研究表明，涉及內(nèi)皮細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞的焦亡在AS的形成和發(fā)展中起著重要作用[21]。例如，低密度脂蛋白和膽固醇晶體可以觸發(fā)NLRP3炎癥小體和caspase-1的產(chǎn)生，并導(dǎo)致caspase-1介導(dǎo)巨噬細(xì)胞中IL-1β和IL-18的活化，通過(guò)NLRP3/caspae-1/IL-1β信號(hào)通路促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞活化和功能障礙，從而促進(jìn)AS的發(fā)生和發(fā)展。有動(dòng)物模型實(shí)驗(yàn)表明，caspase-1基因敲除小鼠的AS癥狀明顯減輕[22]，這提示caspase-1在血管細(xì)胞炎癥病變所致AS中發(fā)揮重要作用。因此，深入探究caspase-1與AS之間的關(guān)系，有益于AS的預(yù)防和治療。

2.2 Caspase-1與MI/RI

MI/RI的標(biāo)志是程序性細(xì)胞死亡，包括凋亡、自噬及炎性反應(yīng)。炎性反應(yīng)是MI/RI引起的微血管損傷和功能障礙的關(guān)鍵特征[23]，抑制炎性反應(yīng)對(duì)損傷修復(fù)有益[24]。體外實(shí)驗(yàn)表明，活性氧產(chǎn)生和鉀離子外排可激活心肌組織成纖維細(xì)胞中的NLRP3炎癥小體，導(dǎo)致caspase-1激活和GSDMD裂解[25]。Caspase-1的激活在一定程度上加重了MI/RI。NLRP3炎性小體激活caspase-1后，一方面caspase-1可活化促炎細(xì)胞因子IL-1β和 IL-18前體；另一方面，其可作用于另一個(gè)底物GSDMD促進(jìn)膜孔形成。這些孔形成后可破壞細(xì)胞膜完整性，增加細(xì)胞膜對(duì)IL-1β和IL-18的通透性。而IL-1β和IL-18被釋放到細(xì)胞外后，放大了炎性反應(yīng)并進(jìn)一步加重MI/RI[25-26]。因此，caspase-1在MI/RI中發(fā)揮了舉足輕重的作用，有望成為未來(lái)心臟保護(hù)療法的靶標(biāo)。

2.3 Caspase-1與HF

病理性心肌肥大是心臟病中發(fā)生的變化，可致HF。Caspase-1的激活通過(guò)誘導(dǎo)IL-1β分泌可加重血管緊張素Ⅱ(angiotensinⅡ，AngⅡ)誘導(dǎo)的心肌肥大，最終引發(fā)HF。體外實(shí)驗(yàn)表明，心肌肥大模型中caspase-1和IL-1β表達(dá)水平顯著上調(diào)[26]。用caspase-1抑制劑處理心肌細(xì)胞顯示caspase-1抑制劑減弱了AngⅡ的促肥大作用，這與caspase-1和IL-1β的下調(diào)相呼應(yīng)。另外，有實(shí)驗(yàn)證明，擴(kuò)張型心肌病患者心肌細(xì)胞通過(guò)NLRP3/caspase-1/GSDMD信號(hào)通路發(fā)生細(xì)胞焦亡，引起機(jī)體免疫反應(yīng)[27]。因此，可以推斷caspase-1 介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡參與了HF的發(fā)病機(jī)制[28]，靶向抑制caspase-1激活可阻斷心肌細(xì)胞焦亡，有望成為治療HF的潛在策略。

2.4 Caspase-1與MI

MI具有高發(fā)病率和高病死率。在急性MI期間，心肌細(xì)胞死亡，MI面積增加。已有證據(jù)支持MI通過(guò)產(chǎn)生活性氧和(或)鉀外排激活NLRP3炎癥小體[18]。NLRP3炎癥小體可激活caspase-1，誘導(dǎo) IL-1β從心肌細(xì)胞釋放，加重MI。因此認(rèn)為，由caspase-1介導(dǎo)的心肌細(xì)胞焦亡在MI中發(fā)揮重要作用[29-30]。此外，有學(xué)者表明，使用caspase-1抑制劑VX-765通過(guò)磷脂酰肌醇-3激酶/絲氨酸蘇氨酸蛋白激酶(PI3K/AKT)信號(hào)通路保護(hù)了離體灌注的大鼠心臟，減小了大鼠MI面積，可保護(hù)心臟以免損傷加重[31]。因此，caspase-1可能成為未來(lái)預(yù)防和治療MI的新靶點(diǎn)。

2.5 Caspase-1與PAH

PAH是一種破壞性疾病，其特征為血管周圍炎性細(xì)胞浸潤(rùn)和肺血管重塑，最終導(dǎo)致右心衰竭和死亡[32]，被稱為心血管系統(tǒng)的“惡性腫瘤”。有學(xué)者證明，在缺氧條件下小鼠肺動(dòng)脈平滑肌中炎癥小體NLRP3激活caspase-1，其通過(guò)caspase-1/IL-18/IL-6/信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)子與激活子3(STAT3)途徑誘導(dǎo)肺動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞增殖，從而誘導(dǎo)缺氧小鼠PAH[33-34]。另外，使用caspase-1抑制劑可減弱PAH的炎癥癥狀[7]，還可抑制肺血管纖維化。因此，推測(cè)caspase-1在PAH的發(fā)生和發(fā)展中發(fā)揮重要作用，深入研究caspase-1在PAH中的作用機(jī)制，其有望成為治療PAH的有效靶點(diǎn)。

3 小 結(jié)

Caspase-1可協(xié)同IL-1β、NLRP3、GSDMD等多種細(xì)胞因子參與細(xì)胞焦亡和炎性反應(yīng)，而這些因子在AS、HF、MI/RI、MI和PAH中發(fā)揮重要作用。迄今為止，caspase-1的確切作用及其在上述疾病病理過(guò)程發(fā)生、發(fā)展中的機(jī)制，尚有待深入研究探討，其結(jié)果有望為臨床CVD提供新的治療方向和策略。